Лазерное нано/микроструктурирование и сверхлегирование примесями серы поверхности кремния тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Нгуен Ван Лыонг

• Нгуен Ван Лыонг
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Нгуен Ван Лыонг

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Общая информация

1.2. Лазерное текстурирование поверхности кремния для увеличения поглощательной способности

1.2.1. Лазерное текстурирование в воздушной среде

1.2.2. Лазерное текстурирование в газовой среде

1.2.3. Лазерное текстурирование в жидкой среде

1.3. Лазерное сверхлегирование

1.3.1. Промежуточная зона в кремнии

1.3.2. Увеличение поглощения излучения видимого и ближнего ИК диапазона посредством лазерного текстурирования и сверхлегирования

1.4. Сверхлегирование посредством ионной имплантации с последующим

импульсным лазерным отжигом

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ, СХЕМЫ И МАТЕРИАЛЫ64 2.1 Лазеры

2.1.1. Фемто/пикосекундная лазерная система

2.1.2. Наносекундная лазерная система

2.2. Экспериментальная лазерная установка

2.2.1. Фемто- и пикосекундная обработка

2.3. Методы исследования

ГЛАВА 3. ТЕКСТУРИРОВАНИЕ И СВЕРХЛЕГИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ ПРИМЕСЬЮ СЕРЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ФЕМТО- И ПИКОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ

3.1. Текстура поверхности

3.2. Кристаллическая структура поверхности

3.3. Сверхлегирование поверхности

3.4. Оптические свойства

3.5. Механизм образования массивов кремниевых нанолистов

4.1. Текстура поверхности

4.2. Кристаллическая структура поверхности

4.3. Сверхлегирование

4.4. Оптические свойства

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ТЕРМИНОЛОГИЯ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

БЛАГОДАРНОСТЬ

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности

Фоточувствительные устройства на базе высокоразвитой кремниевой электроники являются удобной платформой для развития соседних областей оптоэлектроники различных спектральных диапазонов, однако, в настоящее время остроактуальной задачей является придание самому материалу высокого коэффициента поглощения или высокой поглощательной способности в широком - ближнем, среднем и дальнем - ИК-диапазоне. В настоящее время эта задача отчасти решается созданием микроструктурных светоулавливающих покрытий, что применимо к объемным фотоэлементам, но непригодно, например, для тонкопленочных солнечных элементов.

В последнее десятилетие с целью придания кремнию ИК-поглощения проводились достаточно широкие экспериментальные исследования в области сверхлегирования его поверхности донорными атомами халькогенидов (в первую очередь - серы) с помощью фемтосекундной лазерной обработки в серосодержащих газах [1-3] или непосредственно ионной имплантацией [4]. В настоящее время, благодаря экстремальным скоростям нагревания, плавления и отверждения поверхности кремния при воздействии ультракоротких - суб- и и пикосекундных - лазерных импульсов (УКИ) становится возможным его сверхлегирование на беспрецедентном уровне 0.1-1 ат. % (плотность атомов легирующей примеси - 1020 - 1021 см-3) [1-3], многократно превышающем предел равновесной растворимости (~3х1016 см-3 [5]) - например, атомами халькогенидов Б, Бе и Те в газовой химически-активной фазе или из поверхностной пленки легирующей примеси. Поверхность модифицированного материала демонстрирует ряд интересных свойств - переход «металл-диэлектрик» в диапазоне концентраций серы 1020-1021 см-3 [6], аномальное увеличение и непрерывное расширение поглощательной способности из видимого в ближний и средний ИК-диапазоны (область прозрачности чистого кристаллического кремния) [1-3], связанное с поглощением легирующей примеси и свободных

носителей, а также формированием «пленяющего» излучение поверхностного массива острых микроконусов [3], что представляет большой интерес для кремниевых оптоэлектронных устройств при условии сохранения кристаллического характера материала [7,8]. Спектры пропускания сверхлегированных и микроструктурированных поверхностных слоев кремния в ближнем и среднем ИК-диапазонах даже после отжига обнаруживают широкие бесструктурные полосы поглощения, простирающиеся вплоть до 10 мкм [3], однако, их природа, связанная с состоянием халькогенидов как легирующей примеси, до сих пор не выяснена (оценки для глубин донорных состояний простираются от 0.1 до 0.4 эВ [1,6]). Известно, что легирующие атомы в позициях замещения, междоузлия или в качестве кластерных (например, димерных) комплексов могут, начиная с концентрации легирующей примеси 3*1016 см-3, формировать спектр из восьми различных двухзарядных донорных состояний в виде отдельной зоны вблизи дна зоны проводимости [9]. Заметим, что внедренные атомы серы могут создавать также так называемые «мелкие» примесные центры экситонной природы со спектром на глубине порядка нескольких десятков мэВ вблизи самого дна зоны проводимости кремния [10].

Между тем, недавно в ФИАН была разработана оригинальная технология одновременного лазерного сверхлегирования и отжига поверхности кремния в жидком сероуглероде [11], что позволило не только достичь рекордных содержаний серы (до 8 ат. %) в субмикронном поверхностном слое и при этом сохранить его кристаллический характер, но и получить хорошо структурированные зоны примесных состояний в спектральном диапазоне от 1.5 до 25 мкм с предельным коэффициентом ИК-поглощения (на уровне до 104 см-1 в области ближнего и среднего ИК-диапазона), очень перспективные для разработки приборов ночного видения и ИК-визуализации, фото- и термоэлектрической солнечной электрогенерации в условиях низкой освещенности крайнего Севера и арктической зоны. Однако, фундаментальные принципы лазерного формирования таких перспективных структурных состояний серы как легирующей примеси в субмикронном поверхностном слое на атомном и

мезоскопическом уровне, как и электрофизические аспекты сверхлегирования и эффективности фотовольтаической генерации, до сих пор систематически и детально не выяснены. Соответственно, данная диссертационная работа была посвящена экспериментальному исследованию возможностей лазерного нано/микроструктурирования и сверхлегирования примесями серы поверхности кремния в среде жидкого сероуглерода под действием импульсов нано-, пико- и фемтосекундной длительности.

Цели и задачи работы

Цели работы состоят в экспериментальном поиске новых режимов нано-, пико- и фемтосекундного лазерного нано/микроструктурирования и сверхлегирования поверхности кремния для придания высокого широкополосного ИК-поглощения. Эти исследования позволяют установить структурные особенности дискретных зон донорных состояний атомов серы в нано/микроструктурированном слое поверхности кремния, обеспечивающих сильное широкополосное (1.5-25 мкм) или избирательное дискретное (в указанном выше диапазоне) ИК поглощение, и возможности управления этим зонным спектром на стадии формирования такого слоя («зонная инженерия») при помощи лазерного излучения. В соответствии с этим поставлены задачи диссертационной работы:

1. Формирование нано- и микроструктурного слоя поверхности кремния, сверхлегированного атомами и комплексами легирующей примеси серы (содержание - до нескольких атомных процентов).

2. Структурные исследования поверхностной текстуры и профиля концентрации легирующей примеси (серы) в структурированном поверхностном слое, его кристаллического состояния, химического состояния атомов легирующей примеси.

3. Широкополосные спектральные исследования зонной структуры донорных состояний атомов серы или их комплексов, и связанного с ней ИК -поглощения «зона донорных состояний-зона проводимости».

Научная новизна работы

1. С помощью ИК-лазерного излучения нано-, пико- и фемтосекундной длительности варьированием его плотности энергии и экспозиции в среде жидкого сероуглерода сформированы микро- и наноструктурные поверхностные слои кремния нового типа, сверхлегированные атомами и комплексами серы (содержание серы - до нескольких атомных процентов);

2. С помощью спектроскопии комбинационного рассеяния, методов электронной микроскопии и дифракции, энергодисперсионного рентгеновского микроанализа и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии систематически и всесторонне установлены нано- и микромасштабные топографии лазерно-структурированного поверхностного слоя и его кристаллическое состояние по глубине и структуре, содержание, распределение и химическое состояние легирующей донорной примеси серы в поверхностном слое;

3. С использованием широкополосной ИК-спектроскопии установлены эффекты пленения света микроструктурой рельефа и межзонного ИК-поглощения «зона донорных состояний серы-зона проводимости» легирующих атомов серы или их комплексов.

Практическая значимость работы

Проведенные широкие исследования в этом прорывном направлении - как в плане лазерной обработки, так и спектральной, а также рентгеновской диагностики структурных состояний легирующей примеси на атомном и мезоскопическом уровне - являются очень важными для развития данной технологии сверхлегирования кремния для придания ему высокого ИК-поглощения для перспективных применений в областях высокочувствительной

ИК-визуализации, приборов ночного и тепловидения, тонкопленочных фотоэлектрических и термоэлектрических солнечных элементов для электрогенерации в условиях низкой освещенности крайнего Севера и арктической зоны, с хорошими возможностями патентования и создания «ноу-хау» с высоким инновационным потенциалом.

Методология и методы исследования

Экспериментальные результаты работы получены с помощью лазерных систем фемто-, пико- и наносекундной длительности путем передовых схем лазерной обработки (в данном случае - в химически-активной жидкой фазе), а аналитические исследования - с использованием разноплановых, взаимосвязанных передовых методов структурного и химического анализа.

Положения, выносимые на защиту

1. Под действием множественных лазерных импульсов ИК-диапазона (длина волны - 1 мкм) пико- и фемтосекундной длительности (10 пс и 300 фс, соответственно) с поверхностной плотностью энергии около 1 Дж/см2 (выше порога абляции) на поверхности кремния в среде жидкого сероуглерода формируются наноструктурные слои в виде одномерных субволновых периодических решеток рельефа (период-около 100 нм) с кристаллическим основанием и аморфными, сверхлегированными штрихами, содержащими атомы и комплексы серы в количестве до нескольких атомных процентов, в зависимости от экспозиции, достигающей 200 импульсов в точку.

2. Наноструктурированные образцы кремния демонстрируют низкое широкополосное пропускание (до 5%) в ближнем-среднем ИК-диапазоне (1.5-25 мкм), в том числе - ввиду ИК-переходов «зона донорных состояний-зона проводимости» для заряженных и нейтральных одноатомных и кластерных донорных состояний примеси серы.

3. Под действием ИК-лазерных импульсов (длина волны - 1 мкм) наносекундной длительности (120 нс) с варьируемой поверхностной плотностью энергии (19-48 Дж/см2) выше порога абляции и экспозицией (0.35-100 импульсов в точку) на поверхности кремния в среде жидкого сероуглерода формируются микроструктурные слои в виде массивов микрократеров рельефа с минимальным поверхностным слоем аморфной фазы и высокой степенью легирования донорной примесью серы- в количестве до нескольких атомных процентов.

4. Микроструктурированные образцы кремния демонстрируют низкое широкополосное пропускание (до 10 %) в ближнем-среднем ИК-диапазоне (1.5-25 мкм), где наряду с пленением света поверхностными микроструктурами имеют место ИК-переходы «зона донорных состояний-зона проводимости» для заряженных и нейтральных одноатомных и кластерных донорных состояний примеси серы.

Степень достоверности

Достоверность полученных результатов подтверждается данными использованных в работе взаимодополняющих физико-химических методов исследования образцов с помощью сертифицированных приборов, значимой статистической выборкой подготовленных образцов по достаточно широкому кругу экспериментальных параметров, а по отдельным параметрам - согласием с литературными данными.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Лазерное нано/микроструктурирование и сверхлегирование примесями серы поверхности кремния»

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались автором на международных конференциях: International Conference on Laser Precision Microfabrication (LPM-2016), Xian, PR China, 2016; International Symposium "Fundamentals of Laser Assisted Micro - and Nanotechnologies" (FLAMN-16), Saint -Petersburg, Russia, 2016; International Conference on Metamaterials and Nanophotonics (METANANO-2017), Vladivostok, Russia, 2017; International

Conference on Ultrafast Optical Science (UltrafastLight-2017), Moscow, Russia, 2017; VII Международной молодежной научной школе-конференции "Современные проблемы физики и технологий", Москва, Россия, 2018.

Публикация результатов работы

Результаты диссертации опубликованы в 5 научных статьях в рецензируемых научных журналах, из них 4 индексируются в базах данных Web of Science и Scopus и в 4 материалах научных конференций.

Статьи в рецензируемых научных журналах, индексируемых в базах

данных Web of Science и Scopus:

1. Nguyen Van Luong., Danilov P. A., Ionin A. A., Khmel'nitskii P. A., Kudryashov S. I., Mel'nik N. N., Saraeva I. N., Смimov H. A., Rudenko A. A., Zayarny D. A. One-step nanosecond laser microstructuring, sulfur hyperdoping, and annealing of silicon surfaces in liquid carbon disulfide // AIP Conference Proceedings. -2017. - V. 1874. - № 1. - P. 040026.

2. Ionin A. A., Kudryashov S. I., Levchenko A. O., Nguyen L. V., Saraeva I. N., Rudenko A. A., Ageev E. I., Potorochin D. V., Veiko V. P., Borisov E. V., Pankin D. V., Kirilenko D. A., Brunkov P. N. Correlated topographic and structural modification on Si surface during multi-shot femtosecond laser exposures: Si nanopolymorphs as potential local structural nanomarkers // Appl. Surf. Sci. - 2017. - V. 416. - P. 988-995.

3. Danilov P. A., Ionin A. A., Khmel'nitskii R. A., Kudryashov S. I., Mel'nik N. N., Nguyen Van Luong., Saraeva I. N., Smirnov N. A., Rudenko A. A., Zayarny D. A. One-Step Nanosecond-Laser Microstructuring, Sulfur-Hyperdoping, and Annealing of Silicon Surfaces in Liquid Carbon disulfide // Journal of Russian Laser Research. -2017. - V.38. - № 2. - P. 185-190.

4. Luong Van Nguyen., Kudryashov S. I., Rudenko A. A., Khmel'nitskii R. A., Ionin A. A. Separation of Mid-IR Light Trapping and Sulfur-Donor Absorption in Nanosecond-Laser Sulfur-Hyperdoped Silicon: a Way to Spatially-and Spectrally-

Engineered Interband IR-Absorption // Journal of Russian Laser Research. - 2018. - V. 39. - № 2. - P. 1-8.

Публикации в материалах научных конференций:

1. S. I. Kudryashov, P. A. Danilov, A.A. Ionin, R. A. Khmel'nitskii, N. N. Mel'nik, L. V. Nguyen, I. N. Saraeva, N. A. Smirnov, A. A. Rudenko, D. A. Zayarny. 3-in-1: Laser-assisted band engineering in mid/far-IR silicon photonics // Сборник тезисов International Conference on Laser Precision Micro fabrication (LPM-2016), 23 - 27 May. Xian, PR China, 2016. P. 180.

2. L.V. Nguyen, S.I. Kudryashov, P.A. Danilov, A.A. Ionin, R.A. Khmel'nitskii, N.N. Mel'nik, I.N. Saraeva, N.A. Smirnov, A.A. Rudenko, D.A. Zayarny. One-step deep nanosecond-laser surface hyperdoping of silicon in liquid ambient // Сборник тезисов International Symposium "Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies" (FLAMN-16), 27 июня - 1 июля 2016 г. Санкт Петербург, Россия, 2016. С. 114.

3. L.V. Nguyen, S.I. Kudryashov, D.A. Kirilenko, P.N. Brunkov, A.A. Ionin, R.A. Khmel'nitskii, N.N. Mel'nik,A.A. Rudenko, D.A. Zayarny. Large-scale fabrication of sulfur-hyperdoped Si nanosheet arrays via ultrafast laser surface nanotexturing // International Conference on Ultrafast Optical Science (UltrafastLIght-2017), 3-5 октября 2017. Программа, аннотации докладов секции « Ultrafast laser nanofabrication and nanophotonics». Москва, Россия, 2017. C. 89 -90.

4. Нгуен Л.В., Кудряшов С.И., Руденко А.А., Хмельницкий Р.А., Ионин А.А. Разделение захвата среднего ИК - излучения и поглощения донорных примесей серы в наносекундном лазерном микростектурированном сверхлегированном кремнии: способ для пространственно спектрально межзоного ик -поглощения // Сборник тезисов (Часть 1) VII Международная молодежная научная школа-конференция "Современные проблемы физики и технологий", 16 -21 апреля 2018.Г. Москва, НИЯУ МИФИ, 2018. С. 169-170.

Другие публикации

1. Sergey I. Kudryashov, Luong V. Nguyen, Demid A. Kirilenko, Pavel N. Brunkov, Andrey A. Rudenko, Nikolay I. Busleev, Alexander L. Shakhmin, Alexander

V. Semencha, Roman A. Khmelnitsky, Nikolay N. Melnik, Irina N. Saraeva, Alena A. Nastulyavichus, Andrey A. Ionin, Eteri R. Tolordava, Yulia M. Romanova. Large-scale Laser Fabrication of Anti-Fouling Si Surface Nanosheet Arrays via Nanoplasmonic Ablative Self-organization in Liquid CS2 Tracked by Sulfur Dopant // ACS Applied Nano Materials. - 2018. - V. 1. - № 6. - P. 2461-2468.

Личный вклад автора

Автор лично участвовал в постановке задач исследований, планировал и разрабатывал экспериментальные схемы и протоколы измерений, участвовал в подготовке и выполнении экспериментов, обработке экспериментальных данных, выполнял интерпретацию результатов и проводил их обсуждение с квалифицированными сотрудниками.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех основных глав и заключения. Работа содержит 126 страниц печатного текста, 61 рисунков и 2 таблиц. Библиография включает 135 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и решаемые задачи, представлена научная новизна и практическая значимость полученных результатов, кратко изложены основные результаты, выносимые на защиту. Также приведены сведение о апробации работы и личном вкладе автора.

Глава 1 является обзором литературы. В ней представлены два подхода для придания кремнию высокого ИК-поглощения: лазерное тектурированниеи сверхлегированние или ионная имплантация донорными примесями халькогенидов на поверхностном слое кремния. Показаны достоинства и недостатки этих походов.

В главе 2 приведены схемы экспериментальных установок и их описание, показаны методики проведения экспериментов и измерений, указано использовавшееся в экспериментах оборудование и материалы, а также приведены основные программы для обработки экспериментальных данных.

В главе 3 описано формирование наноструктурных и сверхлегированных слоев в виде одномерных субволновых периодических решеток рельефа на поверхности кремния, при ее облучении в среде жидкого сероуглерода множественными лазерными импульсами фемто- и пикосекундной длительности с варьируемой экспозицией. Рельеф с кристаллическим основанием и аморфными, сверхлегированными штрихами содержит атомы и комплексы серы в количестве до нескольких атомных процентов. Показано, что наноструктурированные образцы кремния демонстрируют низкое широкополосное пропускание в ближнем-среднем ИК-диапазоне, в том числе - ввиду ИК-переходов «зона донорных состояний-зона проводимости» для донорных состояний атомов и комплексов серы.

В главе 4 описано формирование микроструктурных слоев в виде массивов микрократеров рельефа с минимальным поверхностным слоем аморфной фазы на поверхности кремния при ее облучении в среде жидкого сероуглерода множественными лазерными импульсами наносекундной длительности с варьируемой плотностью энергии и экспозицией. Показано, что микроструктуры поверхности, сверхлегированные донорной примесью серы, характеризуются низким пропусканием в широком спектральном диапазоне 1-25 мкм вследствие пленения света и поглощения донорной примеси.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты, полученные в диссертационной работе.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Общая информация

Кремний представляет собой один из самых распространенных полупроводников в мире, так как по массе он составляет 28% всей литосферы земли [12]. Также он является самым хорошо изученным полупроводником, что связано с несколькими десятилетиями его использования для активного технологического развития, стимулом для которого послужила отрасль интегральных схем. Кроме того, кремний имеет множество выдающихся свойств, которые отлично подходят для изготовления электронных устройств, например, высокая мобильность носителей, долгое время жизни неосновных носителей, естественное замедление поверхностного окисления, возможности легирования пи р-типа [13]. В связи с наличием таких преимуществ, кремний остается основным элементом отрасли интегральных схем, и, в настоящий момент, рыночная доля кристаллического кремня в отрасли оптоэлектроники составляет 85% [14].

При разработке оптоэлектронных устройств, таких как фотодетекторы или светодиоды, кремний имеет существенный недостаток, связанный с его запрещённой зоной с непрямыми переходами (1.12 эВ) [15], что проиллюстрировано на Рис. 1.1. Возбуждение электрона в запрещенной зоне кремния, которая представляет собой минимальное количество энергии, требуемой для возбуждения электрона от валентной зоны до зоны проводимости, требует изменения импульса электрона. Электрон должен набрать или потерять импульс посредством взаимодействия с фононом во время процесса поглощения фотона. Введение третьей частицы в процесс взаимодействия (фонон) определяет тот факт, что такие непрямые переходы становятся менее вероятны, чем прямые переходы. При прямом переходе, никакие взаимодействия с фононами не

требуются, и, соответственно, переход более вероятен; тем не менее, запрещенная зона кремния с прямыми переходами существенно шире (3.43 эВ).

т

-2- / \Ч / // -

1_ Г X и,К г

волновой вектор

Рис. 1.1. Зонная диаграмма кремния, изображающая минимальную запрещенную зону с непрямыми (1.12 эВ, зеленый цвет) и прямыми (3.43 эВ, красный цвет) [16].

Практическое следствие запрещенной зоны с непрямыми переходами заключается в том, что кремний имеет слабое поглощения света в ближней ИК-области. Линейное поглощение света у полупроводников может быть выражено с использованием закона Бэра-Ламберта:

I = 10еа(Х) , (1.1)

где а(Х) - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны, X -расстояние в материале, а 10 - интенсивность падающего света. Коэффициент поглощения а(Х) и соответствующая глубина поглощения 1/а(Х) изображены на Рис.1.2. У кремния глубина поглощения в области выше запрещенной зоны с непрямыми переходами ориентировочно соответствует величине 10-4 - 10-3 м (100 мкм - 1 мм). Это диаметрально отличается от указанного выше прямого перехода через запрещенную зону, когда глубина поглощения составляет несколько микронов или меньше, что характерно для полупроводников с прямыми

переходами. При энергии фотонов менее ширины запрещенной зоны кремния с непрямыми переходами (1.12 эВ, что соответствует длинам волн больше 1100 нм), коэффициент поглощения критически снижается, а кремний становится практически прозрачным.

Оптические недостатки кремния, имеющие место в связи с его запрещенной зоной с непрямыми переходами, являются двоякими: Во-первых, для поглощения света в области между 1.12 эВ и 3.43 эВ требуется значительная толщина материала. Сравнение зонной структуры кремния с распределением освещенности солнечного излучения, которая представлено на Рис. 1.2, демонстрирует, что в поглощении кремния в видимом диапазоне электромагнитного спектра доминирует непрямой переход. В связи с низким поглощением, сейчас промышленные пластины из кристаллического кремния в фотоэлектрических устройствах, как правило, имеют толщину 180 мкм [13], а их стоимость составляет около 40% от всего модуля [17]. В отличие от этого, фотоэлектрические элементы, произведенные из полупроводников с прямыми переходами, имеют толщину только несколько микрон [18]. Увеличение возможности кремния поглощать свет в данном режиме позволит сократить необходимую толщину пластины, что приведет к использованию меньшего количества материала, а также сокращению общей стоимости производства электричества фотоэлектрическими устройствами на базе кремния. Второе ограничение при использовании кремния в оптоэлектронных устройствах заключается в том, что он прозрачен для света с энергией ниже запрещенной зоны с непрямыми переходами около 1.12 эВ. Таким образом, кремниевые фотодетекторы не могут работать в инфракрасном спектре. Относительно фотоэлектрического применения, кремний прозрачен относительно 24% энергии, излучаемой солнцем. Усовершенствование фотоэлектрического поведения кремния в инфракрасном спектре может позволить использование кремниевых инфракрасных фотодетекторов, а также увеличить эффективность фотоэлектрических устройств на базе кремния.

Рис. 1.2. Спектры коэффициента линейного поглощения (аь) и глубины поглощения (1/аь) кремния. Указаны длины волн, соответствующие непрямым и

прямым переходам. Спектральное распределение земной энергетической освещенности солнечного излучения, которое составляет более 1400 нм, указано на фоне. Оптические характеристики кремния соответствуют [19], а спектр освещенности солнечного излучения совпадает со стандартом наземных эталонных спектров с учетом наклона земли ЛБТМ для оценки функционирования фотоэлектрических устройств [20].

В данной работе мы исследуем использование нано-, пико- и фемтосекундного лазерного излучения для усовершенствования способности кремния взаимодействовать со светом в видимой и инфракрасной области электромагнитного спектра. Лазерное текстурирование поверхности снижает уровень отражеия и увеличивает длину оптического пути света в образце [21,22,23], что ведет к усиленному поглощению излучения. Лазерное сверхлегирование может изменить зонную структуру кремния посредством введения высоких концентрации глубоких примесей в полупроводнике, повышая коэффициент поглощения в видимой и инфракрасной зоне [1,2,22,23].

1.2. Лазерное текстурирование поверхности кремния для увеличения поглощательной способности

Кремний представляет собой полупроводник, который используется для большого количества применений в микроэлектронных и оптоэлектронных устройствах, таких как солнечные элементы и фотодетекторы [26,27]. В связи с такими применениями, имеется заинтересованность в том, чтобы повысить эффективность данных устройств, минимизируя отражение от их поверхности для падающего света. В частности, в солнечных элементах, исследователями были разработаны различные техники для повышения эффективности устройства. Создание поверхностных нано/микроструктур (текстурирование) [1,22,23,28-33], использование антиотражающих покрытий [34], рассеивателей [35,36] и поглощающих наночастиц [37] - все это примеры тех методик, которые помогают увеличить эффективность солнечных элементов.

При использовании методики формирования нано/микроструктур (текстурирование), грубообработанная поверхность, как правило, формируется таким образом, чтобы на солнечном элементе мог эффективно поглощаться падающий свет. Текстурирование поверхности представляет собой стандартный технологический процесс при производстве солнечных элементов, нацеленный на сокращение потерь светового отражения [38,39]. Считается, что текстурирование кремния может минимизировать световое отражение посредством следующих воздействий [38-41]: в структурированном кремнии, когда поток падающих фотонов попадает на планарную переднюю поверхность, он разделяется на поглощенный и отраженный поток. Шероховатость текстурированной поверхности увеличивает переднюю поверхность, таким образом, предоставляя возможность для сокращения количества фотонов в отраженном потоке (рис. 1.3). С другой стороны, часть потока отраженных фотонов может быть поглощена посредством процесса многократного отражения. Фактически, в то время, как плоская поверхность обеспечивает отражение только один раз, в связи с уклоном текстурированной поверхности, первые отраженные лучи света имеют

возможность несколько раз отразиться от наклоненной шероховатой поверхности. Соответственно, падающий свет может поглощаться более эффективно. Если толщина кремниевого элемента сравнима с диффузионными длинами падающего света, тогда лучи преломленного света также могут отражаться внутри кремния под углом и поглощаться более эффективно, чем, если бы процесс имел место в случае плоской поверхности. Кроме того, отраженный поток фотонов от задней поверхности устройства может возвращаться обратно на переднюю поверхность и проходить наклоненную кремниевую поверхность. Такое условие приводит к повышению вероятности отражения света от внутренней поверхности (на границе) и его дальнейшего поглощения.

Текстурирование поверхности для увеличения поглощения света может быть получено посредством различных методик, таких как создание беспорядочно расположенных пирамид в кремниевых солнечных элементах. В данных целях используется несколько методик [30-38], и исторически сложилось, что основной среди них является щелочное химическое травление [45-50]. Однако данная техника эффективно работает исключительно для монокристаллических кремниевых пластин, которые имеют единообразную кристаллографическую ориентацию на верхней поверхности. У пластин из мультикристаллического кремния кристаллографическая ориентация имеет беспорядочный характер. Соответственно, такая техника становится неэффективной, так как только небольшая часть кристалликов на верхней поверхности имеет ту же самую ориентацию. Кроме того, щелочное травление может привести к появлению нежелательных сколов и пазов между кристаллами, что не позволяет добиться эффективной морфологии текстурированной поверхности [38, 40, 45]. Именно по этой причине использование сверхбыстрого лазерного текстурирования кремния стало важной сферой для изучения.

(б)

Рис. 1.3. Иллюстрация оптического пути попадания света на микроструктурированную кремниевую поверхность: (а) поверхности, текстурированные с помощью лазера (конусы), (б) структурированная кремниевая поверхность с пирамидами с использованием анизотропного химического

травления.

Импульсные лазеры представляют собой уникальный источник энергии, который может текстурировать кремниевые поверхности посредством процесса абляции. С помощью данной техники можно структурировать поверхность кремниевой пластины, несмотря на ее кристаллографическую ориентацию. Как правило, при средней плотности лазерного излучения, на кремниевой поверхности формируется морфология нано- или микроструктуры. Формирование микро- или наноструктур и их механизм роста изучался на протяжении

нескольких последних десятилетий. Было продемонстрировано, что параметры лазера (например, длина волны, продолжительность импульсов, плотность и уровень повторяемости), окружающая среда и целевые характеристики могут повлиять на морфологию и химические свойства структур.

1.2.1. Лазерное текстурирование в воздушной среде

Авторы [51] использовали методику лазерного текстурирования для повышения поглощения света пластин из мультикристаллического кремния (ше-Б1). Материал, использованный в работе, представлял собой ше-Б1 р-типа (с примесью бора), толщиной 330 мкм и удельным сопротивлением 1 Ом-см. В рамках данной работы использовался Кё:АИГ лазер с длиной волны 1064 нм и частотой повторения импульсов 15 кГц, максимальной выходной мощностью 50 Вт и диаметром светового пятна около 10 мкм. После проведения процесса лазерного текстурирования, образцы протравливались в 20% растворе КОН при температуре 80°С для удаления повреждений, вызванных обработкой лазером. При исследовании оптических параметров полученных текстур, наблюдалось значительное сокращение отражательной способности рабочей поверхности с 34 до 12%.

В работе [52] исследовалось множество равномерно расположенных параллельных наноструктурированных микроканавок на кремнии, которое обеспечивает существенное снижение отражающей способности обработанного кремния. В данном исследовании используется титан-сапфировый лазер, который излучает импульсы с центральной длиной волны 800 нм, длительностью 65 фс и энергией, равной 1.5 мДж при максимальной частоте импульсов 1 кГц. Во-первых, образец сканировался с применением сфокусированного лазерного луча с гауссовским распределением интенсивности излучения по поперечному сечению для нанесения микроканавки в вертикальном направлении. Далее, образец переводился в горизонтальное положение, и сканирование повторялось для формирования следующей микроканавки, и данный процесс повторялся для

создания множества равномерно распределенных параллельных расширенных микроканавок. В настоящем исследовании, структура поверхности производилась с использованием плотности лазерного излучения 6 Дж/см2, размером сфокусированного светового пятна лазера 100 мкм, частотой повторения импульсов 500 Гц и шагом между линиями сканирования 100 мкм. С любого угла зрения обработанная поверхность имела угольно-черный цвет. Во всей видимой области спектра отражающая способность затемненной поверхности составляла менее 5%. Эффект анти-отражения обработанной поверхности также распространялся на диапазон волн средней инфракрасной области. Более того, данная техника имеет потенциал сокращения отражения кремния в диапазоне миллиметровых и даже суб-миллиметровых волн.

1.2.2. Лазерное текстурирование в газовой среде

Для иллюстрации воздействия фонового газа на морфологию и оптические характеристики кремниевых структур, стимулированных лазером, в рамках данной главы рассматриваются некоторые работы в области лазерного текстурирования в различных газовых средах, таких как 02 [53], ББб [54], или другие газы [55, 56].

Pedraza и коллеги [55] исследовали воздействие поляризации лазерных лучей на морфологию кремниевых наноструктур. Они проводили все эксперименты по лазерному структурированию на кремниевых пластинах с легированием бором в 99,999%-гелиевой атмосфере. Облучение производилось с использованием эксимерного лазера с длиной волны 284 нм и длительностью импульса 25 нс. Некоторые образцы сначала облучались в среде 8Б6, прежде чем были подвергнуты лазерному текстурированию в Не. Образцы погружали в водный раствор ОТ (10:1) на 5 минут для удаления естественного оксидного слоя, а затем промывали и высушивали, далее помещались в вакуумной камере под давлением 1х10-7 торр. Авторы исследовали формирование периодических субмикронных структур на поверхности кремния и обнаружили взаимосвязь

между периодом структур и длиной волны облучающего лазера, а также углом падения. Более того, демонстрируется, что при облучении поляризованными лучами, линейные массивы распространяются за пределы кремниевого основания, притом, что такая центровка не наблюдалась, когда лазерное излучение не было поляризовано.

Имеется несколько различных работ, указывающих на то, что длинные лазерные импульсы (наносекундный или пикосекундный режим) могут использоваться для текстурирования поверхности посредством формирования различных структур, таких как канавки, микро-колонки или микро-конусы [57, 58]. При использовании наносекундных импульсов эксимерного лазера в [59] обратились к проблеме формирования массивов кремниевых микро-колонок с их высоким относительным удлинением (выше первоначальной кремниевой поверхности). Они продемонстрировали, что газовая среда сильно воздействует на рост данных микро-колонок (Рис. 1.4). Было продемонстрировано, что микроколонки расширяются в воздушной и другой насыщенной кислородом среде. Riedel с коллегами исследовали воздействие длины волны лазера и частоты повторяемости импульсов на морфологию структур, формируемых на поверхности кремния [60]. Они продемонстрировали, что размер и средний период структур зависят от длины волны лазера и частоты повторения импульсов. Ming и коллеги также изучали морфологию структур на поверхности кремния (Рис. 1.5), полученных посредством пикосекундных лазерных импульсов в воздушной среде, азотной и вакуумной среде [61].

Рис. 1.4. Изображение СЭМ микро-отверстий и микро-конусов посредством лазерных импульсов 25 нм, 2,6 Дж/см2 в ББб 1 бар: (а) 750, (б) 800, (в) 875, и (г)

975 импульсов [59].

Рис. 1.5. Изображение СЭМ конических выступов, сформированных на поверхности кремния посредством 60 лазерных импульсов продолжительностью 35 пс, с плотностью 8 кДж/м2 в ББб 500 торр [61].

Авторы [28] сравнили воздействие длительности импульсов на оптические характеристики, химический состав и степень кристаллизации микроструктур, сформированных на кремниевом основании посредством лазерного текстурирования в среде 8Е6. Они проводили свои эксперименты в вакуумной камере 8Б6 с давлением 0,67 бар для фемтосекундных лазерных экспериментов и 1 бар для наносекундных лазерных экспериментов. Фемтосекундный лазер, использованный для данной работы, представлял собой титан-сапфировый лазер с длиной волны 800 нм и длительностью импульсов 100 фс. Средняя плотность излучения данного фемтосекундного лазера с гауссовским профилем составляла 8 кДж/м2. Эксимерный лазер с длиной волны 284 нм и длительностью импульсов 30 нс применялся при плотности излучения 30 кДж/м2 и имел плоский профиль. При проведении фс- и нс-лазерных экспериментов на каждую часть образца приходилось 500 и 1500 импульсов, соответственно. Результаты, полученные по изображениям СЭМ (Рис. 1.6), демонстрируют, что высота и расстояние между микроструктурами, сформированными посредством наносекундного лазера, в 5 раз больше, чем таковые для фемтосекундного лазера. Структуры, сформированные фс-лазером, составляют около 8 мкм высотой и разделены 4 мкм; структуры, сформированные нс-лазером, составляют около 40 мкм высотой и разделены расстоянием 20 мкм. Вершины первых структур соответствуют уровню оригинальной поверхности пластины (Рис. 1.6д), в то время как таковые вторых структур выделяются за пределы оригинальной поверхности (Рис. 1.6е). И, наконец, структуры, сформированные фс-лазером, покрыты наночастицами диаметром 10-50 нм, которые скапливаются на структурах (Рис. 1.6в), в то время как поверхность структур, сформированных нс-лазером, является более гладкой, с вылетами размером 500 нм, которые формируются на поверхности (Рис. 1.6г).

Рис. 1.6. Изображения СЭМ микроструктурированной лазером поверхности кремния в SF6 в, д) с применением фс-лазерных импульсов, и (б, г, е) нс-лазерных импульсов. На (а-г) образец рассматривается под углом 45° и под прямым углом; на (д) и (е) образец разделен пополам и рассматривается сбоку

[28].

Воздействие скорости сканирования и энергии импульсов на лазерное структурирование кремния было изучено Li и соавт [54]. Они проводили свои эксперименты с использованием Nd:YAG-лазера с гауссовским профилем и длиной волны второй гармоники 532 нм, длительностью импульсов 10 нс и частотой повторения импульсов 10 Гц. Толщина пластины sc-Si п-тиш (с легированием мышьяком) (100) составляла 525 мкм, а удельное сопротивление 24 Ом-см. Пластины очищались ацетоном, метанолом и деионизированной водой, и погружались в ОТ для удаления естественного оксидного слоя, а после

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нгуен Ван Лыонг, 2018 год

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Crouch C. H., Carey J. E., Shen M., Mazur E., Genin F. Y. Infrared absorption by sulfur-doped silicon formed by femtosecond laser irradiation // Applied Physics A. -2004. - V. 79. - № 7. - P. 1635-1641.

2. Tull B. R., Winkler M. T., Mazur E. The role of diffusion in broadband infrared absorption in chalcogen-doped silicon //Applied Physics A. -2009. - V. 96. -№2. - P. 327-334.

3. Sher M. J., Lin Y. T., Winkler M. T., Mazur E., Pruner C., Asenbaum A. Mid-infrared absorptance of silicon hyperdoped with chalcogen via fs-laser irradiation // J. Appl. Phys. -2013. - V. 113. - № 6. - P. 063520.

4. Bob B.P., et al. Fabrication and subband gap optical properties of silicon supersaturated with chalcogens by ion implantation and pulsed laser melting // J. Appl. Phys. - 2010. - V. 107. - № 12. - P. 123506.

5. Carlson R. O., Hall R. N., Pell E. M. Sulfur in silicon // J. Phys. Chem. Solids. -1959. -V. 8. - P. 81-83.

6. Winkler M. T., Recht D., Sher M. J., Said A. J., Mazur E., Aziz M. J. Insulator-to-metal transition in sulfur-doped silicon // Phys. Rev. Lett. - 2011. - V. 106. - № 17. - P. 178701.

7. Huang Z., et al. Microstructured silicon photodetector // Appl. Phys. Lett. - 2006. - V. 89. - № 3. - P. 033506.

8. Myers R. A., et al. Enhancing near-infrared avalanche photodiode performance by femtosecond laser microstructuring // Appl. Opt. - 2006. - V. 45. - № 35. - P. 88258831.

9. Janzen E., et al. High-resolution studies of sulfur- and selenium related donor centers in silicon // Phys. Rev. B. - 1984. - V. 29. - № 4. - P. 1907.

10. Faulkner R. A. Higher donor excited states for prolate-spheroid conduction bands: a revaluation of silicon and germanium // Phys. Rev. Lett. - 1969. - V. 184. - № 3. - P. 713.

11.Ионин А. А., et al. Структурные и электрические свойства сверхлегированного поверхностного слоя кремния с глубокими донорными состояниями серы // Письма в ЖЭТФ. - 2014. -Т. 100. - № 1. - P. 59-63.

12. Emsley J. Nature's building blocks: an AZ guide to the elements. Oxford University Press, 2011.

13. Powell D. M., Winkler M. T., Choi H. J., Simmons C. B., Needleman D. B., Buonassisi, T. Crystalline silicon photovoltaics: a cost analysis framework for determining technology pathways to reach baseload electricity costs // Energy Environ. Sci. - 2012, - V. 5. - № 3. - P. 5874-5883.

14. Wilkinson S. Solar Industry. - 2011. - V. 4.

15. Hull R. (Ed.). Properties of crystalline silicon. IET. - 1999. - № 20.

16. Tull B. R. Femtosecond Laser Ablation of Silicon: Nanoparticles, Doping and Photovoltaics. PhD thesis, Harvard University. - 2007.

17. Catchpole K. R., Polman A. Plasmonic solar cells // Opt. Express. - 2008. - V. 16. -P. 21793-21800.

18. Bosio A., et al. The second-generation of CdTe and CuInGaSe2 thin film PV modules // Crystal Research and Technology. - 2011. - V. 46. -P. 857-864.

19. Green M. A., Keevers M. Optical properties of intrinsic silicon at 300 K // Progress in Photovoltaics. - 1995. - V. 3. -P. 189-192.

20. ASTM Standard G173 - 03: Tables for Reference Solar Spectral Irradiances // ed. West Conshohocken, PA: ASTM International, - 2008.

21. Sher M. J. Pulsed-laser hyperdoping and surface texturing for photovoltaics // MRS Bulletin. - 2011. - V. 36. - P. 439-445.

22. Nguyen, Van Luong., et al. Separation of Mid-IR Light Trapping and Sulfur-Donor Absorption in Nanosecond-Laser Sulfur-Hyperdoped Silicon: a Way to Spatially-and Spectrally - Engineered Interband IR-Absorption // Journal of Russian Laser Research. -2018. - V. 39. - № 2. - P. 1-8.

23. Kudryashov, S. I., et al. Large-scale Laser Fabrication of Anti-Fouling Si Surface Nanosheet Arrays via Nanoplasmonic Ablative Self-organization in Liquid CS2 Tracked by Sulfur Dopant // ACS Applied Nano Materials. - 2018 (DOI: 10.1021/acsanm.8b00392).

24. Kim T. G., Warrender J. M., Aziz M. J. Strong sub-band-gap infrared absorption in silicon supersaturated with sulfur // Applied Physics Letters. - 2006. - V. 88. - P. 3.

25. Sheehy M. A. Chalcogen doping of silicon via intense femtosecond-laser irradiation // Mat. Sci. Eng: B. -2007. - V. 137. - P. 289-294.

26. Schropp Ruud E. I., Zeman M. Amorphous and microcrystalline silicon solar cells: modeling, materials and device technology // Kluwer Academic publishers group, Netherlands. - 1998.

27. Sze S. M., Ng K.K. Physics of semiconductor devices // John Willey and Sons Inc., Hoboken, New Jersey. - 2007.

28. Crouch C. H., Carey J. E., Warrender J. M., Aziz M. J., Mazur E. Comparison of structure and properties of femtosecond and nanosecond laser-structured silicon // Appl. Phys. Lett. - 2004. - V. 84. - P. 1850.

29. Shen M. Y., Crouch C. H., Carey J. E., Mazur E. Femtosecond laser-induced formation of submicrometer spikes on silicon in water // Appl. Phys. Lett. - 2004. - V. 85. - P. 5694.

30. Carey J. E., Crouch C. H., Shen M., Mazur E. Visible and near-infrared responsivity of femtosecond-laser microstructured silicon photodiodes // Opt. Lett. - 2005. - V. 30. -P. 1773.

31. Carey J. E. Femtosecond-laser Microstructuring of Silicon for Novel Optoelectronic Devices, Ph.D. thesis, Harvard University. - 2004.

32. Younkin R., Carey J. E., Mazur E., Levinson J. A., Friend C. M. Infrared absorption by conical silicon microstructures made in a variety of background gases using femtosecond laser pulses // J. Appl. Phys. - 2003. - V. 93. - P. 2626.

33. Tull B. R., Carey J. E., Mazur E., McDonald J. P., Yalisove S. M. Silicon surface morphologies after femtosecond laser irradiation // MRS Bulletin. - 2006. - V. 31. - P. 626.

34. Mann A. E., Investigation of optical coatings for solar cells // Spectrolab Sylmar California, Report AD0271358. - 1960.

35. Zhao J., Wang A. Rear emitter n-type passivated emitter, rear totally diffused silicon solar cell Structure // Appl. Phys. Lett. - 2006. - V. 88. - P. 242102.

36. Dai X. M., Green M. A., Wenham S. R. High efficiency n-silicon solar cells using rear junction structures // in proceedings of the Twenty Third IEEE Photovoltaic Specialists Conference. - 1993. - V. 153.

37. Law M., Greene L. E., Johnson J. C., Saykally R., Yang P. Nanowire dye-sensitized solar cells // Nat. Mater. - 2005. - V. 4. - P. 455.

38. Lipinski M., Zieba P., Kaminski A. Crystalline silicon solar cells // in Foundation of materials design, Research Signpost. - 2006. - P. 285.

39. Green M. A., Zhao J., Wang A., Wenham S. R. Progress and outlook for high-efficiency crystalline silicon solar cells // Sol. Energ. Mat. Sol. C. - 2001. - V. 65. - P. 9.

40. Nijs J. F., Szlufcik J., Poortmans J., Sivoththaman S., Mertens R. P. Advanced cost-effective crystalline silicon solar cell technologies // Sol. Energ. Mat. Sol. C. - 2001. -V. 65. - P. 249.

41. Macdonald D. H., Cuevas A., Kerr M. J., Samundsett C., Ruby D., Winderbaum S., Leo A. Texturing industrial multicrystalline silicon solar cells // Sol. Energy. - 2004. -V. 76. - P. 277.

42. Inomata Y., Fukui K., Shirasawa K. Surface texturing of large area multicrystalline silicon solar cells using reactive ion etching method // Sol. Energ. Mat. Sol. C. - 1997. -V. 48. - P. 237.

43. Nakaya H., Nishida M., Takeda Y., Moriuchi S., Tonegawa T., Machida T., Nunoi T. Polycrystalline silicon solar cells with V-grooved surface // Sol. Energ. Mat. Sol. C. -1994. - V. 34. - P. 219.

44. Stocks M. J., Carr A. J., Blakers A. W. Texturing of polycrystalline silicon // Sol. Energ Mat. Sol. C. - 1996. - V 40. - P. 33.

45. Panek P., Lipinski M., Dutkiewicz J. Texturization of multicrystalline silicon by wet chemical etching for silicon solar cells // J. Mater. Sci. - 2005. - V. 40. - P. 1459.

46. Park S. W., Kim J., Lee S. H. Application of acid texturing to multi-crystalline silicon wafers // J. Korean Phys. Soc. - 2003. - V. 43. - V. 423.

47. Holmes P. J. The electrochemistry of semiconductors // Academic Press, London. -1962.

48. Szlufcik J., Sivoththaman S., Nijs J. F., Mertens R. P., Van Overstraeten R. Low-cost industrial technologies of crystalline silicon solar cells // Proc. IEEE. - 1997. - V. 85. - P. 711.

49. Finne R. M., Klein D. L. A water-amine-complexing agent system for etching silicon // J. Electrochem. Soc. - 1967. - V 114. - P. 965.

50. Singh P. K., Kumar R., Lal M., Singh S. N., Das B. K. Electiveness of anisotropic etching of silicon in aqueous alkaline solutions // Sol. Energ. Mat. Sol. C. - 2001. - V. 70. - P. 103.

51. Dobrzañski L. A., Drygaa A., Panek P., Lipiñski M., Zieba P. Development of the laser method of multicrystalline silicon surface texturization. Int. Sci. J. - 2009. -V. 38. - № 1. -P. 5-11.

52. Vorobyev A.Y., Guo C. Antireflection effect of femtosecond laser-induced periodic surface structures on silicon // Opt Express. - 2011. - V. 19. - A. 1031 - 1036.

53. Jiménez-Jarquín J., Fernández-Guasti M., Haro-Poniatowski E., Hernández-Pozos J. L. IR and UV laser-induced morphological changes in silicon surface under oxygen atmosphere // Phys. Status Solidi. - 2005. - V. 2. - P. 3798-3801.

54. Li X., Chang L., Qiu R., Wen C., Li Z., Hu S. Microstructuring and doping of silicon with nanosecond laser pulses // Appl. Surf. Sci. - 2012. - V. 258. - P. 80028007.

55. Pedraza A. J., Fowlkes J. D., Guan Y. F. Surface nanostructuring of silicon // Appl. Phys. A. - 2003. - V. 77. - P. 277-284.

56. Umezu I., Warrender J. M., Charnvanichborikarn S., Kohno A., Williams J. S., Tabbal M., Papazoglou D. G., Zhang X. C., Aziz M. J. Emergence of very broad infrared absorption band by hyperdoping of silicon with chalcogens // J. Appl. Phys. -2013. - V. 113. - P. 213501.

57. Lowndes D. H., Fowlkes J. D., Pedraza A. J. Early stages of pulsed- laser growth of silicon microcolumns and microcones in air and SF6 // Appl. Surf. Sci. - 2000. - V. 154. - P. 647.

58. Voronov V. V., Dolgaev S. I., Lavrishchev S. V., Lyalin A. A., Simakin A. V., Shafeev G. A. Formation of conic microstructures upon pulsed laser evaporation of solids // Quantum Electron. - 2000. - V. 30. -P. 710.

59. Pedraza A. J., Fowlkes J. D., Lowndes D. H. Silicon micro-column arrays grown by nanosecond pulsed-excimer laser irradiation // Appl. Phys. Lett. - 1999. - V. 74. - P. 2322.

60. Riedel D., Hernandez-Pozos J. L., Palmer R. E., Kolasinski K. W. Fabrication of ordered arrays of silicon cones by optical diffraction in ultrafast laser etching with SF6 // Appl. Phys. A. - 2004. - V. 78. - P. 381.

61. Ming Z., Gang Y., Jing-Tao Z., Li Z. Picosecond pulse laser microstructuring of silicon // Chinese Phys. Lett. - 2003. - V. 20. - P. 1789.

62. Sheehy M., Winston L., Carey J. Role of the background gas in the morphology and optical properties of laser-microstructured silicon // Chem. Mater. - 2005. - V. 17. - P. 3582-3586.

63. Younkin R., Carey J. E., Mazur E., Levinson J. A., Friend C. M. Infrared absorption by conical silicon microstructures made in a variety of background gases using femtosecond-laser pulses // Journal of Applied Physics. - 2003. - V. 93. - P. 2626.

64. Iyengar V. V., Nayak B. K., More K. L., Meyer H. M., Biegalski M. D., Li J. V., Gupta M. C. Properties of ultrafast laser textured silicon for photovoltaics // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. - 2001. -V. 95. - P. 2745-2751.

65. Her T. H., Finlay R. J., Wu C., Mazur E. Femtosecond laser-induced formation of spikes on silicon // Appl. Phys. A. - 2000. - V. 70. - P. 383.

66. Peng Y., Zhou Y. Y., Chen X. Q., Zhu Y. M. The fabrication and characteristic investigation of microstructured silicon with different spike heights // Optics Communications. - 2015. - V. 334. - P. 122-128.

67. Iyengar V. V., Nayak B. K., More K. L., Meyer H. M., Biegalski M. D., Li J. V., Gupta M. C. Properties of ultrafast laser textured silicon for photovoltaics // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. - 2011. - V. 95. - P. 2745-2751.

68. Heyns M. M., Bearda T., Cornelissen I., De Gendt S., Degraeve R., Groeseneken G., Kenens C., Knotter D. M., Loewenstein L. M., Mertens P., Mertens S., Meuris M., Nigam T., Schaekers M., Teerlinck I., Vandervorst W., Vos R., Wolke K. Cost-effective cleaning and highquality thin gate oxides // IBM Journal of Research and Development. - 1999. - V. 43. - P. 339.

69. Zhu S., Lu Y. F., Hong M. H. Laser ablation of solid substrates in a water-confined environment // Appl. Phys. Lett. - 2001. - V. 79. - P. 1396-1398.

70. Zhu S., Lu Y. F., Hong M. H., Chen X. Y. Laser ablation of solid substrates in water and ambient air // J. Appl. Phys. - 2001. - V. 89, - №. 4. - P. 2400-2403.

71. Ren J., Kelly M., Hesselink L. Laser ablation of silicon in water with nanosecond and femtosecond pulses // Opt. Lett. - 2005. - V. 30, - № 13. - P. 1740-1742.

72. Sobhani M., Mahdieh M. H. Comparison of sub-micro/nano structure formation on polished silicon surface irradiated by nanosecond laser beam in ambient air and distilled water // Laser Part. Beams. - 2013. - V. 31. - №. 03. -P. 465-473.

73. Karimzadeh R., Anvari J. Z., Mansour N. Nanosecond pulsed laser ablation of silicon in liquids //A. Appl. Phys.- 2009. - V. 94. - № 4. - P. 949-955.

74. Shen M., Carey J. E., Crouch C. H., Kandyla M., Stone H. A., Mazur E. High-Density Regular Arrays of Nanometer-Scale Rods Formed on Silicon Surfaces via Femtosecond Laser Irradiation in Water // Nano Lett. - 2008. - V. 8. - № 7. - P. 20872091.

75. Shen M. Y., Crouch C. H., Carey J. E., Mazur E. Femtosecond laser-induced formation of submicrometer spikes on silicon in water // Appl. Phys. Lett. - 2004. - V. 85. - № 23. - P. 5694 - 5696.

76. Wang C., Huo H., Johnson M., Shen M., Mazur E. The thresholds of surface nano-/micro-morphology modifications with femtosecond laser pulse irradiations // Nanotechnology. - 2010. - V. 21. - № 7. - P. 075304.

77. Olea J., Del Prado A., Pastor D., Mártil I., González-Díaz G. Sub-bandgap absorption in Ti implanted Si over the Mott limit // Journal of Applied Physics. - 2011. -V. 109. - № 11. - P.113541.

78. Bob B. P., Kohno A., Charnvanichborikarn S., Warrender J. M., Umezu I., Tabbal M., Williams J. S., Aziz M. J. Fabrication, subband gap optical properties of silicon supersaturated with chalcogens by ion implantation, pulsed laser melting // Journal of Applied Physics. - 2010. - V. 107. - № 12. - P. 123506.

79. Engstrom O., Grimmeiss H. G. Optical properties of sulfur doped silicon // Journal of Applied Physics. - 1976. - V. 47. - № 9. - P. 409 - 4097.

80. Kim T.G., Warrender J.M., Aziz M.J. Strong sub-band-gap infrared absorption in silicon supersaturated with sulfur //Applied Physics Letters. - 2006. - V. 88. - № 24. - P. 241902.

81. Ertekin E., WinklerM T., Recht D., SaidA J., AzizM.J., Buonassisi T., Grossman J. C. Insulator-to-Metal Transition in Selenium-Hyperdoped Silicon: Observation, Origin // Physical Review Letters. - 2012. - V. 108. - № 2. - P. 026401.

82. Fabbri F., Smith M. J., Recht D., Aziz M. J., Gradedak S., Salviati G. Depth-resolved cathodoluminescence spectroscopy of silicon supersaturatedwith sulfur // Applied Physics Letters. - 2013. - V. 102. - № 3. - P. 031909

83. Pastor D., Olea J., Del Prado A., Garcia-Hemme E., Garcia-Hernansanz R., Gonzilez-Diaz G. Insulator to metallic transition due to intermediate band formation in Ti-implanted silicon //Solar Energy Materials, Solar Cells. - 2012. - V. 104. - P. 159164.

84. Persans P. D., Berry N. E., Recht D., Hutchinson D., Peterson H., Clark J., Charnvanichborikarn S., Williams J. S., DiFranzo A., Aziz M. J., Warrender J. M. Photocarrier lifetime, transport in silicon supersaturated with sulfur //Applied Physics Letters. - 2012. - V. 101. - № 11. - P. 111105.

85. Recht D., Hutchinson D., Cruson T., DiFranzo A., McAllister A., Said A. J., Warrender J. M., Persans P. D., Aziz M. J. Contactless microwave measurements of photoconductivity in silicon hyperdoped with chalcogens //Applied Physics Express. -2012. - V. 5. - № 4. - P. 041301.

86. Recht D., Sullivan J. T., Reedy R., Buonassisi T., Aziz M. J. Controlling dopant profiles in hyperdoped silicon by modifying dopant evaporation rates during pulsed laser melting //Applied Physics Letters. - 2012. - V. 100. - № 11. - P. 112112.

87. Said A. J., Recht D., Sullivan J. T., Warrender J. M., Buonassisi T., Persans P. D., Aziz M. J. Extended infrared photoresponse, gain in chalcogen supersaturated silicon photodiodes //Applied Physics Letters. - 2011. - V. 99. - № 7. - P. 073503.

88. Shockley W., Queisser H. J. Detailed balance limit of efficiency of p - n junction solar cells // Journal of Applied Physics. - 1961. - V. 32. - № 3. - P. 510-519.

89. Luque A., Marti A. Increasing the efficiency of ideal solar cells by photon induced transitions at intermediate levels // Physical Review Letters. - 1997. - V. 78. - № 26. - P. 5014.

90. Chen J. W., Milnes A. G. Energy-levels in silicon // Annual Review of Materials Science. - 1980. - V. 10 - № 1. - P. 157-228.

91. Bremner S. P., Levy M. Y., Honsberg C. B. Limiting efficiency of an intermediate band solar cell under a terrestrial spectrum //Applied Physics Letters. - 2008. - V. 92. -№ 17. - P.171110.

92. Alexander M. N., Holcomb D. F. Semiconductor-to-metal transition in n type group IV semiconductors // Reviews of Modern Physics.- 1968. - V. 40. - № 4. - P. 815.

93. Castner T. G., Lee N. K., Cieloszyk G. S., Salinger G. L. Dielectric anomaly and the metal-insulator transition in n-type silicon // Physical Review Letters. - 1975. - V. 34. -№ 26. - P. 1627.

94. Kuge S., Hiroshi N. Solubility, Diffusion Coefficient of Electrically Active Titanium in Silicon //Japanese Journal of Applied Physics. - 1991. - V. 30. - № 11R. - P. 2659.

95. Janzen E., Grimmeiss H. G., Lodding A., Deline C. Diffusion of tellurium dopant in silicon // Journal of Applied Physics. - 1982. - V. 53. - № 11. - P. 7367-7371.

96. MacDonald D., Geerligs L. J. Recombination activity of interstitial iron, other transition metal point defects in p-, n-type crystalline silicon // Applied Physics Letters. - 2004. - V. 85. - № 18. - P. 4061-4063.

97. Tabbal M., Kim T., Warrender J. M., Aziz M. J., Cardozo B. L., Goldman R. S. Formation of single crystal sulfur supersaturated silicon based junction by pulsed laser melting // Journal of Vacuum Science &Technology B. - 2007. - V. 25. - № 6. - P. 1847-1852.

98. Tabbal M., Kim T., Woolf D. N., Shin B., Aziz M. J. Fabrication adn sub-band-gap absorption of single-crystal Si supersaturated with Se by pulsed laser mixing // Applied Physics A. - 2010. - V. 98. - № 3. - P. 589-594.

99. Pan S. H., Recht D., Charnvanichborikarn S., Williams J. S., Aziz M. J. Enhanced visible, near-infrared optical absorption in silicon supersaturated with chalcogens // Applied Physics Letters. - 2011. - V. 98. - № 12. - P. 121913.

100. Priolo F., Poate J. M., Jacobson D. C., Batstone J. L., Custer J. S., Thompson M. O. Trapping of Au in Si during pulsed laser irradiation: A comparison with ion beam induced segregation //Applied Physics Letters. - 1988. - V. 53. - № 25. - P. 2486-2488.

101. Recht D. Energetic beam processing of silicon to engineer optoelectronically active defects. PhD thesis, Harvard University. - 2012.

102. Olea J., Toledano-Luque M., Pastor D., San-Andres E., Mirtil I., Gonzailez-Diiz G. High quality Ti-implanted Si layers above the Mott limit // Journal of Applied Physics. -2010. - V. 107. - № 10. - P. 103524.

103. Sullivan J. T. Understanding the Viability of Impurity-Band A Case Study of S-doped Si. PhD thesis, Massachusetts Institute of Technology. - 2013.

104. Mott N. F. Metal-Insulator Transition // Reviews of Modern Physics. - 1968. - V. 40. - P. 677 - 683.

105. Walukiewicz W., et al. Interaction of Localized Electronic States with the conduction Band: Band Anticrossing in II-VI Semiconductor Ternaries // Physical Review Letters. - 2000.- V. 85. - № 7. - P. 1552.

106. YuK. M., et al. Diluted II-VI Oxide Semiconductors with Multiple Band Gaps // Physical Review Letters, - 2003. - V. 91. - № 24. - P. 246403.

107. Lopez N., et al. Engineering the Electronic Band Structure for Multiband Solar Cells // Physical Review Letters. - 2011.- V. 106. - № 2. - P. 028701.

108. Marti A., et al. Production of Photocurrent due to Intermediate-to-Conduction-BandTransitions: A Demonstration of a Key Operating Principle of the Intermediate-Band Solar Cell // Physical Review Letters. - 2006.- V. 97. - № 24. - P. 247701.

109. Wang W., et al., Intermediate-band photovoltaic solar cell based on ZnTe:O // Applied Physics Letters.- 2009.- V. 95. - № 1.- P. 011103.

110. Antolin E., Marti A., Olea J., Pastor D., Gonzalez-Diaz G., Martil I., Luque A. Lifetime recovery in ultrahighly titanium-doped silicon for the implementation of an intermediate band material // Applied Physics Letters. - 2009.- V. 94. - № 4. - P. 042115.

111. Wu C., Crouch C. H., Zhao L., Carey J. E., Younkin R., Levinson J. A., Mazu E., Farrell R. M., Gothoskar P.,Karger A. Near-unity below-band-gap absorption by microstructured silicon // Appl. Phys. Lett. - 2001. - V. 78. - № 13. - P. 1850-1852.

112. Tull B. R., Winkler M., Mazur E.The role of diffusion in broadband infrared absorption in chalcogen-doped silicon // Applied Physics A- Materials Science Processing. - 2009.- V. 96.- № 2. - P. 327-334.

113. Iyengar V.V., Nayak B.K., Gupta M. C. Optical properties of silicon light trapping structures for photovoltaics // Solar Energy Materials & Solar Cells.- 2010. - V. 94. - P. 2251-2257.

114. Limaye M.V., Chen S. C., Lee C. Y., Chen L. Y., Singh S.B., ShaoY. C., Wang Y. F., Hsieh S. H., Hsueh H. C., Chiou J. W., Chen C. H., Jang L. Y., Cheng C. L., Pong W. F., Hu Y. F. Understanding of sub-band gap absorption of femtosecond-laser sulfur hyperdoped silicon using synchrotron-based techniques // Sci. Rep. - 2015. - V. 5. - P. 11466.

115. Mayer J. W., ErikssonL., DaviesJ. Ion Implantation in Semiconductors // Academic Press. - 1970.

116. Ferris S., Leamy H., Poate J. Laser-Solid Interactions // Laser Processing. New York: American Institute of Physics. - 1978.

117. White C. W., Wilson S. R., Appleton B. R., Young F. W. Supersaturated substitutional alloys formed by ion-implantation, pulsed laser annealing of group-III, group-V dopants in silicon // Journal Of Applied Physics. - 1980. - V. 51. - № 1. - P. 738-749.

118. Spaepen F., Turnbull D. Kinetics of motion of crystal-melt interfaces. Laser-Solid Interactions, Laser Processing // American Institute of Physics. - 1978. - P. 73-83.

119. Aziz M. J. Modeling, measurement of solute trapping, in Laser Surface Treatment of Metals.- D. C.W., P. Mazzoldi, eds.), - P. 649- 661, Marinus Nijho- Publishers, 1986.

120. Reitano R., Smith P. M., Aziz M. J. Solute trapping of group III, IV, V elements in silicon by an aperiodic stepwise growth-mechanism // Journal of Applied Physics. -1994. - V. 76. - № 3. - P. 1518-1529.

121. Kittl J. A., Sanders P. G., Aziz M. J., Brunco D. P., Thompson M. O. Complete experimental test of kinetic models for rapid alloy solidiffcation // Acta Materialia. -2000. - V. 48. - №. 20. - P. 4797-4811.

122. Fischler S. Correlation between maximum solid solubility and distribution coefficient for impurities in Ge and Si // Journal of Applied Physics. - 1962. - V. 33. -№. 4. - P. 1615.

123. Simmons C. B., Austin J. A., Jacob J. K., Sullivan J. T., Recht D., Aziz M. J., Buonassisi T. Deactivation of metastable single-crystal silicon hyperdoped with sulfur // J. Appl. Phys. - 2013. - V.114. - P 243514.

124. Wilson R. G. Depth distributions of sulfur implanted into silicon as a function of ion energy ion fluence, and anneal temperature // J. Appl. Phys. - 1984. - V. 55. - № 10. - P. 15.

125. Warrender J. M. Laser hyperdoping silicon for enhanced infrared optoelectronic properties // Appl. Phys. Rev. - 2016. - V. 3. - P. 031104.

126. Вавилов В.С., Алексей Р.Ч. Ионная имплантация примесей в монокристаллы кремния: эффективность метода и радиационные нарушения // Успехи физических наук. - 1995. - V. 165. - № 3. - P. 347-358.

127. Sullivan J. T., Simmons C. B., Krich J. J., Akey A., Recht J. D., Aziz M. J., Buonassisi T. Methodology for vetting heavily doped semiconductors for intermediate band photovoltaics: A case study in sulfur-hyperdoped silicon // J. Appl. Phys. - 2013. -V 114. - P. 103701.

128. Sullivan J. T. Understanding the viability of impurity-band photovoltaics: A case study of S-doped Si. Ph.D. thesis. - Massachusetts Institute of Technology, 2013.

129. Newman B. K., Sher M.J., Mazur E., Buonassisi T. Reactivation of sub-bandgap absorption in chalcogen-hyperdoped silicon // Appl. Phys. Lett. - 2011. - V. 98. - P. 251905.

130. Brotherton S. D., King M. J., Parker G. J. The electrical properties of sulphur in silicon // Journal of Applied Physics. - 1981. - V. 52. - № 7. - P. 4649-4658.

131. Голосов Е. В., Ионин A. A., Колобов Ю. Р., Кудряшов С. И., Лигачев А.Е., Макаров С. В., Новоселов Ю. Н., Селезнев Л. В., Синицын Д. В. Формирование квазипериодических нано- и микроструктур на поверхности кремния под действием ИК и УФ фемтосекундных лазерных импульсов // Квант. эл-ка. - 2011. - T. 41. - № 9. - C. 829-834.

132. Ionin A. A., Kudryashov S. I., Makarov S. V., Seleznev L. V., Sinitsyn D. V. Nonlinear Optical Dynamics of Femtosecond Laser-induced Periodical Surface Structures on Silicon // Laser Physics Letters. - 2015. - V. 12. - № 2. - P. 025902.

133. Danilov P. A., Ionin A. A., Kudryashov S. I., Makarov S. V., Rudenko A. A., Saltuganov P. N., Seleznev L. V., Yurovskikh V. I., Zayarny D. A., Apostolova T. Silicon as virtual plasmonic material: acquisition of its transient optical constants and ultrafast surface plasmon-polaritonic excitation // ЖЭТФ. - 2015. - V. 147. - № 6. - P. 1098-1112.

134. Ionin A. A., Kudryashov S. I., Levchenko A. O., Nguyen L. V., Saraeva I. N., Rudenko A. A., Ageev E. I., Potorochin D. V., Veiko V. P., Borisov E. V., Pankin D. V. Correlated topographic and structural modification on Si surface during multi-shot femtosecond laser exposures: Si nanopolymorphs as potential local structural nanomarkers // Applied Surface Science. - 2017. - V. 416. - P. 988-995.

135. Danilov P. A., Ionin A. A., Khmel'nitskii R. A., Kudryashov S. I., Mel'nik N. N., Van Luong N., Saraeva I. N., Smirnov N. A., Rudenko A. A., Zayarny D. A. One-Step Nanosecond-Laser Microstructuring, Sulfur-Hyperdoping, and Annealing of Silicon Surfaces in Liquid Carbon Disulfide // Journal of Russian Laser Research. - 2017. - V. 38. - № 2. - P.185-190.